CN105164784A - X射线源和成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线源(1)，具有包括至少一个使X射线透过的射线出射窗(5)的可抽真空的外壳(3)、电子源(7)、阳极(13)和用于收集穿过阳极的电子的集电极(19)。集电极是用于在阳极上形成负电势的电路的一部分，并且辐射窗被布置为使得按照相对于电子射线方向从130度到230度的角度(α)从阳极射出的X射线辐射能够穿过射线出射窗而输出耦合。另外，本发明涉及一种成像系统，具有根据本发明的X射线源、用于容纳待检查对象的装置和X射线探测器。

Description

X射线源和成像系统

技术领域

本发明涉及一种X射线源，具有带有射线出射窗的可抽真空的外壳、用于发射电子的电子源和用于产生X射线辐射的阳极。另外，本发明涉及一种具有这种X射线源的成像系统。

背景技术

对于已知X射线源，在可抽真空的外壳(所谓的X射线管)内，在阳极上加速电子，其材料适合于将加速电子的能量转换成X射线辐射。通过可让X射线通过的出射窗，X射线辐射从X射线源输出耦合。当在成像系统中使用时，辐射典型是被指向待检查的物体并随后利用成像X射线探测器测量。主要是在医学成像中，这种系统的应用普遍。对于人身体部分的诊断检查，通常希望利用尽可能低的X射线剂量得到尽可能高的图像质量。为此，尽可能单色的X射线辐射是有利的，其中辐射基本上由特征X射线辐射组成，而仅有尽可能小部分由在宽能量范围分布的轫致辐射组成。

在US7436931B2中描述了一种用于产生单色X射线辐射的X射线源。在此，使用非常薄的阳极，其被安装在由具有低核电荷数的材料构成的阳极载体上。由此实现通过阳极层形成在狭窄能量范围内的基本上特征X射线辐射。通过低的阳极层厚并通过低的载体核电荷数，还发射较少轫致辐射，从而使源仅产生少量的宽带的X射线辐射。然而，在US7436931B2中公开的技术方案的难点在于穿过薄的阳极的高能电子。这些电子在阳极载体中被收集，并且通过流经载体的冷却剂传导能量。在此的缺点是在阳极载体内的高热量生成和在阳极载体中形成轫致辐射的可能性。通过轫致辐射在形成的X射线谱中产生连续的底色，其延伸至极限能量，该极限能量相当于被加速电子的动能。单色特征X射线辐射在总频谱和在辐射剂量中的分量由于该效果而降低。由于高热量生成和冷却剂流的必要性，该技术方案在热学技术方面特别不高效并且机械上复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于产生尽可能单色X射线辐射的X射线源，其能够避免所述缺点。本发明另一个要解决的技术问题是，提供一种具有这种X射线源的成像系统。

该技术问题通过在权利要求1中描述的X射线源和在权利要求14中描述的成像系统解决。

根据本发明的X射线源包括具有至少一个使X射线透过的射线出射窗的可抽真空的外壳。它还包括用于沿着电子射线方向发射电子的电子源、用于产生X射线辐射的阳极和用于收集穿过阳极的电子的集电极。集电极是用于在集电极上建立相比阳极电势的负电势的电路的一部分。射线出射窗被布置为，使得至少在相对于电子射线方向从130度到230度的角度范围的子范围内从阳极射出的X射线辐射能够通过射线出射窗而输出耦合。

根据本发明的X射线源能够产生基本上单色的X射线辐射，因为在阳极主要产生在狭小能量范围内的特征X射线辐射。穿过阳极的电子也不太会形成不希望的轫致辐射，因为这些电子通过根据本发明构造的集电极首先被有效地减速，然后被收集。通过集电极捕获加速电子在电学上高效，并且在将阳极固定时不需要附加的冷却剂通道来运走穿过阳极膜的电子的动能。通过在运行中集电极的相对于阳极的负电势，电子在到达集电极材料前失去一部分动能。由此使在集电极材料中形成的轫致辐射最小化。通过集电极防止了，这些电子在X射线源运行中到达可能产生轫致辐射的其它部件，并且防止了，电子离开X射线源。特别是通过有效拦截，这些电子不与X射线源的外壳发生相互作用。

根据本发明布置射线出射窗，使得X射线辐射能够通过该窗口输出耦合，其至少在角度范围相对于电子射线方向从130度到230度的子范围内从阳极射出。输出耦合因此根据本发明发生在阳极的面对到达的电子射线的一侧，其中通过窗口输出耦合的X射线辐射可以包括与电子射线的反向方向直至+/-50度的角度范围。通过反向输出耦合，实现特征X射线辐射与连续轫致辐射的特别高的比值，因为轫致辐射的很大部分在电子射线方向，而特征X射线辐射在正方向和反方向上的分量基本对称。

根据本发明的成像系统包括根据本发明的X射线源、用于容纳待检查对象的装置和X射线探测器。成像系统的优点类似于关于X射线源给出的优点。在医学成像领域，待检查对象在此可以是人身体、动物身体或身体一部分。用于容纳待检查对象的装置于是例如是患者卧榻或用于容纳身体部分的装置。然而，成像系统也可以被构造为用于测量部件。在该情况下，用于容纳待检查对象的装置可以是用于部件的固定物。

根据本发明的成像系统的优点在医学成像中特别明显，因为在对人身体部分进行诊断检查时，以尽可能低的射线负担实现尽可能高的图像质量并由此实现尽可能精确的医学诊断特别重要。在使用尽可能单色的X射线源时，能够实现特别好的图像质量。单色的X射线源的优点在乳房成像和血管成像领域特别大，因为在该方法中检查这样的身体部分，在所述身体部分中必须反映X射线辐射衰减的的微小区别。在使用单色的X射线辐射的情况下，在近似的图像质量下或者降低患者的辐射负担，或者可以避免另外使用对健康有害的X射线造影剂。

从权利要求1的从属权利要求中得到根据本发明的X射线源的优选构造和扩展。相应地，X射线源可以具有以下附加特征：

集电极可以沿着电子射线方向比在电子动能为150keV下的电子平均穿透深度更厚地构造。电子在X射线源中被加速到的最大动能在多数X射线源中处于直至150keV的范围。如果将集电极构造为其在该电子能量范围中厚于电子平均穿透深度，则在运行X射线源时由集电极截获大部分具有该最大能量的电子。如果集电极如前所述还在负电势下运行，则电子在到达集电极材料之前被减速，而相应地更大部分的电子被集电极所收集。通过集电极收集的电子的部分在该实施方式中占至少1-1/e，由此超过63％。

所描述的集电极的材料可以包括导电材料，例如不锈钢和/或铜。集电极可以沿着电子射线方向具有至少1mm的厚度。优选选择厚度，使到达集电极的电子以所残留的动能基本上不能穿透集电极的厚度。

集电极在电子射线方向上可以具有凹陷。这样的凹陷有利于在集电极上可靠地收集加速电子，并且防止电子侧漏到X射线源外壳。形成集电极的凹陷是有用的，因为一部分电子在阳极散射，并因此改变其飞行方向。具有凹陷的集电极特别适合收集尽可能多的散射电子。

所描述的凹陷可以构造成梯形。替代地，凹陷也可以构造成矩形、U形或半圆形。它可以具有至少3cm的深度，特别优选可以是在5cm与15cm之间的深度。

可以将射线出射窗布置为，使得至少在相对电子射线方向从170度到190度的角度范围的子范围内从阳极射出的X射线辐射能够穿过射线出射窗输出耦合。在该实施方式中，仅输出耦合以与电子射线的反方向成角度+/-10度离开阳极的X射线辐射。通过该狭窄的角度范围，能够实现特征X射线辐射与干扰的连续轫致辐射更好的比例。

在该实施方式的另一种变化中，电子源可以在中间区域具有孔，用于使输出耦合的X射线辐射穿过。电子源特别是可以构造成环形的源。在中间区域，反面待输出耦合的X射线辐射可以穿透电子源，并穿过该区域从阳极到达射线出射窗。于是射线出射窗可以特别有利地被布置为，使得仅来自阳极的相对于电子射线方向成175度至185度角度的X射线辐射能够通过射线出射窗输出耦合。

X射线源可以包括至少一个控制电极，用于将电子加速和/或聚集到阳极。X射线源也可以包括多个这样的控制电极。所述至少一个控制电极可以是具有圆形横截面的电极，例如可以具有一段或多段球面的形状。为了加速电子，控制电极的电压优选高于电子源的电压。

阳极可以具有金属层，其包含核电荷数至少为40的材料，并且其层厚小于在电子动能为150keV时电子在金属层材料中的平均穿透深度。该实施方式的优点在于，在具有相对高核电荷数的材料中形成特别高比例的特征X射线辐射。特别合适的材料是核电荷数为42的钼和核电荷数为74的钨。小层厚的优点在于，在阳极的金属薄膜中仅产生最少的轫致辐射。层厚的选择取决于阳极材料，因为穿透深度取决于阳极材料性质。优选的层厚例如在直至10μm的范围，特别优选的直至5μm的范围。不需要更大的层厚，因为穿过阳极的电子的减速和捕获通过集电极进行。

阳极可以具有阳极载体，其包含核电荷数最大为15的材料，并且其层厚小于在电子动能为150keV时电子在该阳极载体材料中的平均穿透深度。为阳极载体选择轻的材料是有利的，因为如此在阳极载体中也产生少的轫致辐射，因为具有低核电荷数的材料仅与电子具有微小的相互作用。阳极载体本身用于固定阳极的金属层并用于确保机械稳定性。即使对于载体，也使厚度尽可能小以避免不希望的轫致辐射。然而固定物的厚度可以选择得比金属层厚度大，因为越低核电荷数的材料与电子的相互作用越小，由此在特定动能下的平均穿透深度比金属层更大。在此，通过最大加速电压来预设重要的电子能量。典型地施加最大150kV的加速电压，其导致150keV的最大动能。

电路可以被构造为，在X射线源运行时可以将集电极带到一电势，该电势至少低于阳极电势的一半，其中相对于电子源电势来定义集电极电势和阳极电势，并且两个电势相对于该参考电势都是正的。通过该电势差实现了，穿过阳极的电子在其从阳极到集电极的路径上已经在阳极与集电极之间的场中又损失很大一部分能量。

电子源可以是场发射阴极或热阴极。场发射阴极即所谓的冷阴极，在其中典型通过非常大的局部场向X射线源的真空空间发射电子。与此不同地，在热阴极中，在来自阴极材料的高温度影响下向真空空间发射电子。

阳极可以构造为固定阳极、旋转阳极和/或液体阳极。在固定阳极中，金属阳极层固定在固定的固定物中。相反，旋转阳极包括可旋转放置的大多为圆盘状的盘，其在盘平面内旋转，使得电子射线依次到达盘边界区域的不同位置，由此实现金属阳极层更好的散热和更长的寿命。在液体阳极中，使用导电液体作为阳极层，例如低熔点的金属和包含镓、铟和/或锡的合金。阳极也可以包括多个金属层，其例如包含不同的材料。金属层可以依次布置在一个共同的载体上。具有多个阳极材料的X射线源可以被构造为，能够根据应用，根据是将何种阳极材料带到电子射线范围而提供具有不同能量的单色X射线辐射。

根据本发明的成像系统的一种优选构造来自于权利要求14有关的权利要求。相应地，成像系统可以附加包括布置在射线出射窗与用于容纳检查对象的装置之间的射线滤波器。这种射线滤波器可以包含金属层，例如由铝、铑、钼、铜和/或锡组成，其用于吸收连续轫致辐射的低能量部分。这具有的优点是，使待检查的对象、特别是患者身体部分不需要承受被过滤的X射线频谱部分。轫致辐射的低能量部分最多仅包括非常少部分的待测量的图像信息，因为该部分辐射典型地几乎完全被待检查对象吸收而基本没有到达X射线探测器的部分。

附图说明

以下借助优选实施例结合附图描述本发明，其中：

图1示出了按照优选实施例的X射线源的横截面示意图，

图2示出了该X射线源的X射线通量密度的模拟的角度关系，以及

图3示出了具有该X射线源的成像系统。

具体实施方式

在图1中示出了按照本发明的优选实施例的X射线源1的横截面示意图。该示图示出了可以气密性密封的外壳3的一部分，从而能对X射线源的内部空间抽真空。形成真空是向该空间中发射电子并向预设位置方向加速的前提。外壳3设置有射线出射窗5，其用于使所产生的X射线辐射9从X射线源1输出耦合。该射线出射窗5也相对于外壳3真空密闭地密封。对于射线出射窗5的合适材料例如是铍。

在可抽真空的空间内部布置了电子源7、阳极13和集电极19，以及在该例子中布置了两个控制电极23、24。电子源在此是冷的场发射阴极。其构造为环形并被布置为使得在阳极上形成的X射线辐射9可以穿过该环内部到达射线出射窗5。

电子源7、阳极13、集电极19和控制电极23、24是在此未示出的电路的一部分。由电子源7向真空发射的电子通过施加在电子源7与阳极13之间的电势差而向阳极13方向加速。在该例子中，电子源7处于地电势，而在阳极13上在运行中呈现150kV的电压。两个控制电极23、24被构造为部分球面，并且用于将从电子源7发射的电子射线向阳极13方向加速并聚集。在该例子中，第一控制电极23处于10kV的电势而第二控制电极24处于150kV的电势。所发射的电子由此被聚焦到阳极13表面的焦斑14，并且在该例子中沿着电子射线方向11垂直到达阳极13表面。

在所示实施例中，阳极13是圆盘形阳极13，其在面对电子源一侧具有由2μm厚的钼构成的金属层15，该金属层被安装在阳极载体17上。阳极载体17在此由15μm厚的金刚石圆盘构成。在薄的钼层中，被加速电子的一部分能量转换为钼的特征X射线辐射。首先等方向性地从电子的焦斑14向所有空间方向发送特征X射线辐射。特征X射线辐射的能量在钼的K_α跃迁能量下为17.4keV，而在K_β跃迁能量下为19.6keV。通过发送特征X射线辐射在该能量范围内提供了准单色的辐射。另一种合适的阳极材料例如是钨，其适合产生范围在59keV至67keV的准单色的X射线辐射。

金属层15的小层厚被选择为，其小于由加速到150keV能量的电子在该材料中的平均穿透深度。最小层厚需要几μm，以便足够比例的电子能够与钼相互作用以产生特征X射线辐射。同时，希望层厚保持尽量小，以便产生最少的连续轫致辐射。由于小层厚，大部分加速电子不被钼层15吸收，而是到达阳极载体17。阳极载体17在该例子中由金刚石圆盘构成，从而由于载体材料的低核电荷数，仅发生与加速电子的较小的相互作用。阳极载体17的厚度也构造为很小，使得大部分加速电子穿过阳极载体17。该残留部分继续沿着电子方向11向集电极19运动。集电极19的功能是，使残留的电子减速并收集。为了能够使电子减速，在X射线源1运行中，集电极19处于相对于阳极13电势的负电势。在该实施例中，集电极19处于30kV的电势，从而使电子在阳极13与集电极19之间的路径中被减速到其原始动能的一小部分。

集电极19的材料被构造为，使得大部分的电子在集电极19中被收集。在该例子中，集电极19由不锈钢制成。集电极19在电子射线方向11上的厚度也被构造为，使得尽可能多地吸收电子，在该例子中壁厚为4mm。

在该例子中，阳极13、电子源7和射线出射窗5的几何布置为，在阳极13上形成的X射线辐射能够按照与电子射线方向11的在170度与190度之间的优选角度范围α₁通过射线出射窗5输出耦合。在该角度范围α₁中，X射线辐射可以穿过电子源7的开口。替代地，X射线源1的几何结构可以设计为，辐射在130度与230度之间的更大角度范围α通过射线出射窗5输出耦合。在该情况下，也可以从射线路径侧面布置的电子源借助控制电极向阳极方向引导电子，从而使电子源不位于待输出耦合的辐射的范围。或者可以将电子源7中间区域的开口选择很大，或者可以将电子源7离阳极13很近地布置，使得在130度与230度之间的角度范围α的辐射也通过射线出射窗输出耦合。

通过给出的输出耦合几何结构和输出耦合的X射线辐射与电子射线方向11的所选择的角度范围α₁实现了，从X射线源1射出的辐射具有尽可能高比例的特征X射线辐射25和尽可能低比例的轫致辐射27，即X射线辐射基本上是准单色的。

在图2中解释了输出耦合几何结构对X射线辐射成分的影响。图2对比示出了对于优选实施例的阳极13的以上给出的材料和层厚，特征X射线辐射25和轫致辐射的模拟X射线通量密度和与电子射线方向11的角度的函数关系。在辐射强度的模拟中，附加假设对于所有角度，辐射都穿过由30μm厚的钼层组成的射线滤波器35。图2中的模拟结果明显示出，在90度与270度之间的角度范围，即按照电子射线的前进方向，对于所有角度，轫致辐射27比特征X射线辐射25明显更强。

相反，在特定角度范围内的反向方向上，特征X射线辐射25的通量密度超过轫致辐射27。在130度与230度之间的角度范围α中，特征X射线辐射25的通量密度明显更高，从而使连续轫致辐射27仅形成特征发射带下的弱底色。对于产生准单色辐射特别有利的是在170度与190度之间的角度范围α₁。通过模拟显示的在特征X射线辐射25与轫致辐射27之间的良好的强度关系不仅是受输出耦合角度α选择的影响，还很大程度上受阳极材料和厚度的影响，以及通过在集电极19中收集穿过阳极的电子并在此使附加发射的轫致辐射最少的可能性影响。

图3示出了具有按照本发明上述优选实施例的X射线源1的成像系统30的示意横截面。成像系统30在此是乳房成像设备，其用于放射性检查女性胸部。在乳房成像中特别希望使用尽可能单色的X射线辐射，因为在该检查方法中主要涉及非常弱和小空间的软组织对比度的成像。在此，需要特别高的图像质量主要用于识别和诊断乳房肿瘤。另外，女性胸部非常易受离子辐射的负面作用影响。因为乳房成像也被用作筛选方法，所以在此将所取得的图像质量与所使用的X射线剂量的关系最优化特别重要。

成像系统30包括在图中详细示出的X射线源1，其通过支撑臂33悬挂在支撑柱31上。在支撑柱31上安装了高度可调的载体38和同样高度可调的挤压板37，它们共同形成用于容纳待检查对象40(这里是女性胸部)的装置39。由X射线源1产生的准单色X射线辐射9通过射线出射窗5输出耦合，并且穿过在X射线源1下面布置的射线滤波器35。射线滤波器35由30μm厚的钼层组成，其用于在X射线辐射9到达待检查的胸部40之前过滤一部分低能的连续轫致辐射。随后，X射线辐射9穿过挤压板37到达被挤压的胸部40。穿过胸部40的X射线辐射9部分在此被布置在载体38内的X射线探测器41测量，并且被在此未示出的在后连接的读取电子器件处理以得到可用于诊断的X射线图像。

Claims (15)

1.一种X射线源(1)，具有：

-可抽真空的外壳(3)，包括至少一个使X射线透过的射线出射窗(5)，

-电子源(7)，用于沿着电子射线方向(11)发射电子，

-阳极(13)，用于产生X射线辐射(9)，

-以及集电极(19)，用于收集穿过所述阳极(13)的电子，

-其中，所述集电极(19)是用于在集电极上建立相对于阳极(13)的电势的负电势的电路的一部分，

-并且其中，所述射线出射窗(5)被布置为，使得至少在相对于电子射线方向(11)从130度到230度的角度范围(α)的子范围内从阳极(13)射出的X射线辐射(9)能够通过射线出射窗(5)而输出耦合。

2.按照权利要求1所述的X射线源(1)，其特征在于，所述集电极(19)沿着电子射线方向(11)比在电子动能为150keV时电子在集电极(19)的材料中的平均穿透深度更厚。

3.按照权利要求2所述的X射线源(1)，其特征在于，所述集电极(19)的材料包括不锈钢和/或铜，并且沿着电子射线方向(11)具有至少1mm的厚度。

4.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，其特征在于，所述集电极(19)在电子射线方向(11)具有凹陷。

5.按照权利要求4所述的X射线源(1)，其特征在于，所述凹陷是梯形的和/或具有至少3cm的深度。

6.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，其特征在于，所述射线出射窗(5)被布置为，使得至少在相对电子射线方向(11)从170度到190度的角度范围(α₁)的子范围内从阳极(13)射出的X射线辐射(9)能够穿过射线出射窗(5)输出耦合。

7.按照权利要求6所述的X射线源(1)，其特征在于，所述电子源(7)在中间区域具有孔，用于使待输出耦合的X射线辐射(9)穿过。

8.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，具有至少一个控制电极(23，24)，用于将电子加速和/或聚集到阳极(13)。

9.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，其特征在于，所述阳极(13)具有金属层(15)，其包含核电荷数至少为40的材料，并且其层厚小于在电子动能为150keV时电子在金属层(15)的材料中的平均穿透深度。

10.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，其特征在于，所述阳极(13)具有阳极载体(17)，其包含核电荷数最大为15的材料，并且其层厚小于在电子动能为150keV时电子在所述阳极载体(17)的材料中的平均穿透深度。

11.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，其特征在于，所述电路被构造为，在所述X射线源运行时能够将所述集电极(19)带到一电势，该电势至少低于阳极电势的一半。

12.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，其特征在于，所述电子源(7)是场发射阴极或热阴极。

13.按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)，其特征在于，所述阳极(13)是固定阳极、旋转阳极和/或液体阳极。

14.一种成像系统(30)，具有按照上述权利要求中任一项所述的X射线源(1)、用于容纳待检查对象(40)的装置(39)和X射线探测器(41)。

15.按照权利要求14所述的成像系统(30)，具有布置在射线出射窗(5)与用于容纳检查对象(40)的装置(39)之间的射线滤波器(35)。